Projeto semestral MCF-MEP

Licenciatura em física - MCF/MEP Z2
Alexis Nobre Massari - 1661272
Deborah Laryssa Arruda Proença - 1662961
Diego Vinicius - 1663402
Sandy Torres Tavares - 1664212
Projeto catapulta x estrutura
Histórico do projeto:
Nos encontramos uma vez por semana neste último mês para discutir os detalhes do
projeto. Na primeira semana decidimos focar apenas na elaboração de uma catapulta, pois
acreditamos que ela é a peça mais fundamental de nosso projeto. Então decidimos que
cada integrante pesquisaria modelos de catapulta e apresentaria na semana seguinte.
Nos encontramos na semana seguinte para avaliar os modelos encontrados. Foram
apresentados três modelos dos quais foi selecionado aquele que apresentou maior
praticidade na construção e maior possibilidade de modificação – o mangonel (catapulta
tradicional).
Na terceira semana realizamos a primeira tentativa de construção da catapulta. Dividimos
as tarefas entre os membros e terminamos de construí-la no final da tarde.
Na última semana anterior à apresentação, discutimos os detalhes referentes à
metodologia aplicada para a coleta de dados, e a apresentação.
Esquema da montagem:
Um esquema do aparato desenvolvido até agora foi enviado juntamente com este projeto.
Dados quantitativos/metodologia de obtenção de dados:
Foi feita apenas uma série de testes, referentes ao alcance e precisão da catapulta.
Foram 10 lançamentos realizados e medidos, todos com aproximadamente a mesma
deformação no elástico, correspondente a 5,8 cm. As medidas e uma foto das marcações
estão dispostas a seguir:
Lança
mento
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Medida
(cm)
112
119
122,5
135,5
159
175
176
180
186,5
227
É possível ver que os lançamentos
apresentaram alcances dispostos em
um intervalo de aproximadamente 115
cm e também foi medido o intervalo de
medidas lateral, que mostrou o projétil caindo ao longo de um intervalo lateral de
aproximadamente 42 cm.
Porém, estes testes foram feitos sob condições esdrúxulas e sem muito rigor
experimental, apenas para nos dar uma ideia de como nosso experimento se comporta na
pior das hipóteses. Futuramente serão feitos testes de precisão mais rigorosos e uma
comparação dos dados experimentais com os dados teóricos. Os testes nos servirão para
analisarmos e julgarmos o que precisa ser melhorado a fim de conseguir uma ótima
precisão, que é necessária ao projeto. Ainda não foram feitos testes relativos ao
funcionamento da estrutura.
Quanto à metodologia que pretendemos adotar para a obtenção de dados, decidimos que
faríamos um teste preliminar, sem muito rigor(dados coletados acima), para em seguida
trabalhar em cima deles e verificar quais são os empecilhos no aparato que causam falta de
precisão ou discrepância muito grande da teoria. Ao mesmo tempo, iremos adaptando a
montagem para vencer as dificuldades e realizando novos testes com o mesmo propósito
até atingirmos resultados satisfatórios. Uma vez pronta a parte do projeto que envolve a
catapulta, repetiremos o processo com a parte da estrutura, verificando, também se e como
as duas partes dialogam entre si.
Funcionamento científico do aparato:
Os principais conceitos físicos envolvidos no funcionamento da catapulta são:
lançamento oblíquo, resistência do ar, três leis de Newton, força elástica, energia mecânica.
Ao esticar o elástico, realizamos um trabalho sobre ele que é convertido em energia
potencial elástica. Ao soltá-lo, essa energia é convertida em energia cinética fazendo o
braço da catapulta se mover. Como uma de suas extremidades está presa a um eixo livre
para rodar, o braço realiza um movimento rotacional em torno deste ponto. Eventualmente,
o movimento é abruptamente interrompido, pois o braço colide com um anteparo. O objeto
que estava dentro da concha da catapulta, porém, pela lei da Inércia, vai manter o mesmo
movimento, e, portanto, vai descrever uma trajetória parabólica, sendo esta última a
sobreposição de dois movimentos - um Movimento Retilíneo Uniforme, no eixo X horizontal,
e um Movimento Retilíneo Uniformemente Acelerado, no eixo Y vertical, com aceleração da
gravidade g=9,8 m/s².
Aplicação tecnológica do aparato:
A catapulta já é, por si só, uma aplicação tecnológica visto que é um aparato que foi
imitado da vida real. A catapulta é uma arma de guerra que surgiu por volta de 300 a. C. na
Grécia. Seu propósito, então, era servir como uma arma de cerco que fosse capaz de atirar
projéteis (pedras, corpos de animais, corpos de infectados com doenças contagiosas, etc)
por cima de muros e fossos, ou destruir muralhas e formações militares de inimigos. O
aparato catapulta, em si, não é uma coisa aplicável nos dias de hoje. Porém, sua ideia de
lançar objetos através de forças externas a ele e se valendo de transformações de energia
ainda persiste.É possível mencionar como a catapulta de vapor é utilizada em porta-aviões.
Como as embarcações não possuem espaço suficiente para os caças decolarem sozinhos,
elas possuem um sistema de pistões acoplados geralmente ao trem de pouso dos caças,
que é impulsionado por um vapor de altíssima pressão, auxiliando no levantamento de vôo
da aeronave. Semelhante ao caso nos porta-aviões, pesquisa-se um sistema de
“catapulteamento” de cápsulas ao espaço, como o projeto Railgun, que consiste em trilhos
eletromagnéticos de quilômetros de extensão que impulsionam conjuntos avião-nave sem a
necessidade de gastar combustível da própria nave, a fim de economizar combustível e
dinheiro. Os mesmos princípios de uma catapulta clássica funcionam em aparatos muito
semelhantes que fazem uso da força potencial elástica, que são os arcos e flechas e os
estilingues.
Proposta de aplicação didática:
A proposta inicial para este projeto seria montar uma catapulta e uma estrutura (ambas
de baixo custo) com os alunos do ensino médio, visando estimular a discussão das
propriedades físicas que estão envolvidas antes, durante e depois da confecção das
mesmas, e também abrir margem à uma discussão da ciência como uma construção
humana interligada com a sociedade, a partir de um enfoque histórico da criação e
aplicação da primeira parte do projeto que é a catapulta. Por ser um projeto um tanto
trabalhoso e com um conteúdo bastante abrangente, seu tempo de duração seria
basicamente de dois bimestres, dependendo do avanço dos alunos e da interação nas salas
de aula.
Neste processo, os estudantes conseguirão aplicar conceitos essenciais para o estudo
físico, onde a catapulta desenvolve os seguintes aspectos:
● Energia potencial elástica: define-se a energia potencial de uma corda ou mola que
possui elasticidade. O elástico contido na catapulta, ao ser tensionado, adquire
energia potencial, passando parte dessa energia para o projétil, que com isso,
adquire quantidade de movimento. Como parte do processo didático, poderia abrir
uma discussão sobre o que seria essa energia potencial, e se essa energia se
conservaria até o final de todo o experimento.
● Energia cinética: a energia cinética é a energia que está relacionada com o estado
de movimento de um corpo. Este tipo de energia é uma grandeza escalar que
depende da massa e do módulo da velocidade do corpo em questão. Quanto maior
o módulo da velocidade do corpo, maior é a energia cinética. Quando o corpo está
em repouso, ou seja, o módulo da velocidade é nulo, a energia cinética é nula. Na
catapulta, a energia potencial no projétil se transforma em energia cinética e com
isto, podemos fazer com que os alunos estabeleçam essa diferenciação e percebam
a conservação da energia.
● Força elástica: a força que a mola ou elástico exerce sobre o corpo obedece uma
relação que conhecemos como Lei de Hooke, onde existe uma proporcionalidade
entre a força aplicada e a elasticidade de um material. Durante a confecção da
catapulta, poderíamos mencionar a importância da escolha de um elástico que não
se rompa facilmente e a dificuldade de sempre tensionar de uma mesma forma
(aplicar a mesma força em cada movimento) e o quanto de distância podemos
●
●
alcançar em um lançamento oblíquo quando variamos a força aplicada e o ângulo de
disparo.
Primeira e segunda lei de Newton: na primeira lei de Newton, na ausência de forças,
um corpo em repouso tende a continuar em repouso ou em movimento retilíneo
uniforme. Na segunda lei, um corpo em repouso necessita de uma aplicação de
força para que possa alterar seu movimento, adquirindo velocidade no mesmo
sentido e direção da aplicação da força, e também com intensidade proporcional à
aplicação desta força. Ou seja, quanto maior a força, maior será a aceleração
adquirida pelo corpo. É exatamente isso que acontece para que o projétil consiga
sair de seu estado inercial e alcançar a velocidade necessária para acertar a
estrutura e destruí-la. Com isto, poderíamos fazer com que os alunos discutam quais
são as forças que atuam no projétil, mostrando que algumas destas forças
interferem no lançamento e modificam a trajetória natural do corpo.
Lançamento oblíquo: o lançamento bidimensional oblíquo demonstra o que acontece
com o corpo que sofre a força gravitacional, mudando sua trajetória retilínea para
curvilínea, onde poderíamos discutir com os alunos o quanto a gravidade pode
interferir quando calculamos o caminho para acertar um certo alvo.
Já na estrutura, poderíamos abordar as seguintes discussões:
● Centro de massa: o que mantém a estrutura em equilíbrio estático?
● Resistência de materiais: qual material poderia deixar a estrutura mais resistente
possível?
● Arranjo estrutural: existe algum ponto mais frágil que possa destruir a estrutura de
uma só vez?
Claro que todo esse desenvolvimento dependeria do tempo que teríamos com os alunos,
mas o projeto é bastante flexível, onde algumas destas questões poderiam ser colocadas
sem tanto aprofundamento e deixadas como reflexão discente. Além do mais, poderiam ser
discutidas em grupo, agilizando o processo como um todo.